Železo
Železo je šedobílý, lesklý, středně tvrdý kov. Dobře vede elektrický proud. Železo je nejrozšířenější přechodný kovový prvek a druhý nejrozšířenější kov v zemské kůře, o tom by se možná hodilo něco vědět, ne? Železo najdeš v přírodě ve formě rud a minerálů jako jsou oxidy \mathrm{O}^{2-} a uhličitany \mathrm{CO}_{3}^{2-}. Nejčastější oxidační stavy jsou +II a +III. Dvojmocné železo se ale už za běžných podmínek snadno oxiduje na trojmocné, které je stabilnější.
V zemské kůře ho najdeš nejčastěji v těchto formách:
magnetit (magnetovec) \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4} oxid železnato-železitý
hematit (krevel) \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} oxid železitý
limonit (hnědel) \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot \mathrm{n} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} hydrát oxidu železitého
siderit (ocelek) \mathrm{FeCO}_{3} uhličitan železnatý
pyrit (kočičí zlato) \mathrm{FeS}_{2} sulfid železnatý
Samotné železo je hlavně meteorického původu. Železem je tvořena podstatná část naší planety, neboť zemské jádro je složeno z právě ze železa. Přítomnost železa v jádře zapříčiňuje přítomnost magnetického pole Země. Předtím, než byly vynalezeny GPS lokátory, se běžně lidé v přírodě orientovali za pomocí kompasu. A to by nešlo bez feromagnetického železa.
Víš, že jádro železa je nejstabilnější ze všech jader? Až se budou poslední dny vesmíru chýlit ke konci, přítomno bude pouze železo.
Se vzdušnou vlhkostí ovšem reaguje za vzniku hydratovaného hydroxidu železitého. Tuto reakci určitě znáš pod pojmem koroze. Přítomnosti kyslíku a vzdušné vlhkosti železo nedokáže odolat a postupně se jejich vlivem úplně rozpadne. Korozi železa můžeš snadno popsat následující rovnicí:
4 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{O}_{2}+2 x \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot x \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
S chlorem a sírou reaguje za vzniku sulfidu a chloridu železnatého. S kyslíkem reaguje za vzniku oxidu železitého.
4 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{O}_{2} \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}
Se zředěnými kyselinami reaguje za vzniku železnatých solí a vodíku. Pro příklad si prohlédni následující rovnice.
\mathrm{Fe}+\mathrm{HCl}\longrightarrow{}\mathrm{FeCl}_2+\mathrm{H}_2
\mathrm{Fe}+\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4\longrightarrow{}\mathrm{FeSO}_4+\mathrm{H}_2
\mathrm{Fe}+2\mathrm{HNO}_3\longrightarrow{}\mathrm{Fe}\left(\mathrm{NO}_3\right)+\mathrm{H}_2
V koncentrované kyselině sírové a dusičné se pasivuje.
Železo je ti blíž, než si myslíš
Krev obratlovců, tedy i lidí, obsahuje krevní barvivo, které se nazývá hemoglobin. Je to velmi důležitý metaloprotein, jehož funkcí je přenášet kyslík z plic do tkání a opačným směrem pak oxid uhličitý. Nezbytnou součástí struktury hemoglobinu jsou ionty železa. Velkým rizikem je pro hemoglobin oxid uhelnatý, který s ním tvoří asi 200x silnější vazbu než s kyslíkem. Hemoglobin je oxidem uhelnatým zablokován a není schopen přenášet kyslík. Určitě už je ti jasné, že se pak jedná o nebezpečnou otravu oxidem uhelnatým.
Trocha historie a využití železa
Železné nástroje začali lidé poprvé používat už asi 3000 let př. n. I. Nepoužívali samozřejmě železo takové, jako umíme vyrobit dnes, ale vyráběli ho ve zkujňovacím ohništi, kde nebyla tak vysoká teplota jako v dnešní vysoké peci. Okolo roku 1200 př. n. I. začala doba železná. Velkým krokem pak bylo zavedení koksu, jako redukčního činidla kyslíkatých rud, což se stalo na konci 18. století a byl to významný faktor průmyslové revoluce. Železo nebo spíše ocel z něj vyrobená se hojně využívá ve strojírenství. Velké množství oceli samozřejmě obsahuji dopravní prostředky a stavby. Houbovité železo se také používá jako katalyzátor při výrobě amoniaku přímou syntézou z vodíku a dusíku.
Jak se vyrábí surové železo?
Možná čekáš složitou odpověď, ale opak je pravdou. Principem je přeměna kyslíkaté rudy železa jednoduchou redukcí uhlíkem, jinak řečeno koksem, spolu se struskotvornými přísadami při 1500{ }^{\circ} \mathrm{C}. Celý proces probíhá v až 30 metrů vysokém zařízení, kterému se, světe div se, říká vysoká pec. Pro představu se můžeš kouknout na obrázek, jak taková vysoká pec vypadá v reálu.
Koks je v podstatě téměř čistý uhlík. Koks se ale nejprve musí vyrobit v koksárenských pecích. To jsou obrovská průmyslová zařízení, ve kterých probíhá přeměna hnědého uhlí za nepřístupu vzduchu při teplotě vyšší než 1000^{\circ} \mathrm{C}. Při těchto podmínkách z uhlí vytěkají veškeré ostatní prvky jako je síra, dusík, kyslík a mnoho dalších. Po provedení této reakce se zbytek z koksárenské pece vytlačí na pásový dopravník a zbude ti prakticky čistý uhlík, neboli koks.
Pokud se snaží̌ pochopit, jak probíhá celá výroba surového železa z chemické stránky věci, tak je následující odstavec přesně pro tebe. Zdrojem železa a tedy i hlavní vstupní surovinou jsou železné rudy uvedené již výše v textu.
Za prvé je důležité uvědomit si, že žádná ruda (ani ta železná) není nikdy chemicky čistá tak, jak je to napsáno vzorcem, ale obsahuje spoustu dalších prvků, které je nutné pro zisk surového železa celým procesem odstranit. K odstranění těchto nežádoucích příměsí, kterými mohou být kovy i nekovy, se používá struskotvorná přísada vápenec \mathrm{CaCO}_{3}. Struskotvorná přísada je třetí a poslední vstupní surovinou. Vápenec vytváří na povrchu roztaveného železa krustu veškerých nechtěných příměsí, které jsou součástí železné rudy a ta se poté odstraní jednoduše, protože je lehčí a plave na hladině roztaveného surového železa. Zároveň chrání železo před oxidací vzdušným kyslíkem.
Máš tři suroviny, neboli vsázku, která se kontinuálně naváží vrchní částí tzv. kychtou do nitra pece. Zde pomalu dochází ke zvyšování teploty a vsázka se v peci postupně posouvá směrem dolů. A tady to teprve všechno začíná! Nejprve dochází při 400 až 1000^{\circ} \mathrm{C} z rozkladu vápence na oxid uhličitý a pálené vápno. Při teplotách nad 900^{\circ} \mathrm{C} probíhá nepřímá redukce oxidů železa, kdy vznikají oxidy s nižším oxidačním stavem, případně až elementární železo.
3\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3+\mathrm{CO}\longrightarrow{}\mathrm{2Fe}{}_3\mathrm{O}_4+\mathrm{CO}_2
\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4+\mathrm{CO}\longrightarrow{}3\mathrm{FeO}{}+\mathrm{CO}_2
\mathrm{FeO}+\mathrm{CO}\longrightarrow{}\mathrm{Fe}{}+\mathrm{CO}_2
Takové železo je přítomností uhlíku nauhličováno a vzniká karbid triželeza \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{C}. Přímá redukce oxidů železa probíhá uhlíkem v nejnižší zóně, kde je zároveň nejvyšší teplota až 2000^{\circ} \mathrm{C}.
\mathrm{FeO}+\mathrm{C}\longrightarrow{}\mathrm{Fe}{}+\mathrm{CO}
V nejspodnější části se hromadí surové železo a struska. Odpich železa i strusky se provádí přetržitě.
Ve vysoké peci tedy vzniká surové železo neboli litina. Litina obsahuje kromě železa také příměs uhlíku (4-5\%), křemíku, síry, fosforu a dalších prvků. Tyto příměsi způsobují, že je litina tvrdá, ale křehká (snadno se láme). Litinu můžeš dále zpracovat odlitím do forem, poté ji můžeš použít do ložisek nebo ozubených kol. Většina železa se ale dále zpracovává na materiál s nižším obsahem uhlíku, který znáš pod názvem ocel.
Jak vyrobím ocel?
Doma určitě docela těžko. Opět budeš potřebovat speciální hutní zařízení, kterému říkej ocelárna. Výroba jako taková je metalurgický postup, kdy se z litiny železa odstraňuje uhlík a další nežádoucí prvky (třeba fosfor nebo síra). Do oceli se naopak přidávají žádoucí legující prvky jako třeba mangan, křemík nebo hliník. Běžné typy ocele ve výsledku obsahují pod 1{,}5\% uhlíku.
Teď ale zpátky na začátek. Z vysoké pece získáš surové železo, které bud' odliješ do tzv. housek nebo v tekuté podobě transportuješ přímo do ocelárny. V ocelárně už je připravena pec nebo konvertor, kde probíhají požadované procesy podle toho, jaký druh ocele vyrábíš.
Jaké zařízení tedy pro výrobu ocele použiješ? Na výběr je několik druhů.
Nístějové pec - surové železo se taví s železným šrotem a rudou. Kyslík v ní obsažený zoxiduje příměsi na příslušné oxidy \left(\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{SiO}_{2}, \mathrm{P}_{2} \mathrm{O}_{5}, \mathrm{SO}_{2}\right).
Konvertory - do surového železa se vhání vzduch, který oxiduje uhlík a další příměsi.
Elektrické pece - velice účinný, ale nákladný způsob výroby oceli. Používá se pro výrobu menších množství oceli o specifickém složení.
Nejdůležitější sloučeniny železa
Železo tvoří železnaté a železité sloučeniny. Nazelenalé železnaté sloučeniny jsou většinou nestabilní a snadno se oxidují na rezavé železité sloučeniny.
Oxid železitý \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}
Oxid železitý, hematit nebo krevel. Má hodně názvů a chemiky je velmi často vyslovovaný. Je to sloučenina nerozpustná ve vodě, ale reaguje s kyselinami za vzniku železitých solí. Má načervenalou barvu, vzniká při korozi železa a může tedy za její specifickou barvu. Pokud někde uvidíš načervenalou barvu půdy, hádej, která sloučenina za to s největší pravděpodobností může?
Oxid železnato-železitý \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4}
Asi si říkáš, co je to za zvláštní vzorec... At počítáš, jak počítáš, nemůžeš se dopočítat? Nevadí, to se dá pochopit. Jedná se totiž o podvojnou látku, která je složena ze dvou sloučenin, a to z oxidu železnatého a oxidu železitého. Tento podvojný oxid můžeš znát pod názvem magnetit nebo magnetovec, který má magnetické vlastnosti. Použiješ ho při výrobě železa ve vysoké peci.
Heptahydrát síranu železnatého \mathrm{FeSO}_{4} \cdot 7 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
Heptahydrát síranu železnatého možná budeš znát pod názvem zelená skalice, či zastarale zelený vitriol. Vyrobíš jej rozpouštěním železných odpadů ve zředěné kyselině sírové.
\mathrm{Fe}+\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4+7\mathrm{H}_2\mathrm{O}\longrightarrow{}{\mathrm{FeSO}}_4\cdot7\mathrm{H}_2\mathrm{O}+\mathrm{H}_2
Použití má široké, používá se totiž jako desinfekce při úpravě pitných, povrchových a technologických vod a také k čištění odpadních vod.
Hexahydrát síranu železnato-amonného \left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{Fe}\left(\mathrm{SO}_{4}\right)_{2} \cdot 6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
Většina chemiků zná tuhle sloučeninu pod názvem Mohrova sůl. Pamatuj si ji, jako nejstálejší železnatou sůl.
Hexakyanoželeznatan draselný \mathrm{K}_{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]
Této sloučenině se říká žlutá krevní sůl. Použiješ ji k důkazu železitých iontů, kdy ti ve zkumavce vznikne berlínská modř - Hexakyanoželeznatan železitý.
4\mathrm{FeCl}_3+3\mathrm{~K}_4\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6\right]\longrightarrow{}\mathrm{Fe}{}_4\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6\right]_3+12\mathrm{KCl}
Hexakyanoželezitan draselný \mathrm{K}_{3}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]
Červená krevní sůl se používá k důkazu železnatých iontů. Ve zkumavce ti vznikne takzvaná Thurnbullova modř.
3\mathrm{FeCl}_2+2\mathrm{~K}_3\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6\right]\longrightarrow{}\mathrm{Fe}{}_3\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6\right]_2+6\mathrm{KCl}
Thiokyanatan železitý \mathrm{Fe}(\mathrm{SCN})_{3}
Tato sloučenina vznikne, pokud budeš dokazovat železité kationty pomocí thiokyanatanu jako činidla. Vzniklý thiokyanatan železitý má typickou krvavě červenou barvu, a říká se mu chemikova krev.
\mathrm{Fe}^{3+}+3\mathrm{SCN}^{-}\longrightarrow{}\mathrm{Fe}{}(\mathrm{SCN})_3